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Title
VLBI Celestial Reference Frames and Assessment with Gaia / von David Mayer
Additional Titles
Himmelsfeste Referenzrahmen der VLBI und Vergleich mit Gaia
AuthorMayer, David
Thesis advisorBöhm, Johannes
PublishedWien, 2019
Description126 Seiten
Institutional NoteTechnische Universität Wien, Dissertation, 2019
Annotation
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprueft
LanguageEnglish
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Referenzrahmen / ICRF / VLBI / Gaia
Keywords (EN)Reference Frame / ICRF / VLBI / Gaia
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-121147 Persistent Identifier (URN)
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VLBI Celestial Reference Frames and Assessment with Gaia [11.45 mb]
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Abstract (German)

Mit der Entdeckung von Quasaren (extragalaktische Radioquellen) in den 1960ern wurde das Feld der Astrometrie revolutioniert. Durch die große Entfernung dieser Quellen ist die Eigenbewegung vernachlässigbar, wodurch sie zum idealen Referenzpunkt werden. Beobachtet werden diese Quellen mit der Very Long Baseline Interferometry (VLBI), welche ein Netzwerk aus Radioteleskopen benutzt um hochgenaue Positionen zu bestimmen. Nur einige Jahrzehnte nach der Entdeckung von extragalaktischen Radioquellen wurde der bis dato genaueste Sternenkatalog im optischen Frequenzbereich durch einen Katalog von Quasaren im Radiofrequenzbereich als empfohlener Standard abgelöst. Für drei Jahrzehnte war die Genauigkeit der VLBI außer Reichweite für Verfahren im optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Das hat sich mit der Satellitenmission Gaia der European Space Agency (ESA), welche 2013 gestartet wurde, geändert. Gaia wurde entwickelt um die Milchstraße zu vermessen, allerdings misst Gaia unter anderem auch Quasare mit einer vergleichbaren Genauigkeit zu VLBI. Erstmals in der Geschichte der VLBI existiert ein Referenzrahmen mit ähnlichem Genauigkeitsniveau, welcher für Vergleiche herangezogen werden kann. In dieser Dissertation wird der Einfluss von unterschiedlichen Modellen und Analysestrategien auf den VLBI Referenzrahmen mit Hilfe des Gaia Referenzrahmens beurteilt. Bevor der Einfluss der Modelle und der Analysestrategien beurteilt werden kann muss ein VLBI Referenzrahmen geschätzt werden. Dies wurde mit Hilfe der Vienna VLBI and Satellite Software (VieVS) durchgeführt. Das Ergebnis ist ein himmelsfester Referenzrahmen mit 4500 Quellenpositionen im X/S-Band, der im Umfang und der Genauigkeit dem International Celestial Reference Frame 3 (ICRF3) gleicht. Das Rauschen dieser Lösung beträgt 30 as mit Deformationen bezüglich ICRF3 unter 15 as. Um zwei astrometrische Kataloge zu vergleichen müssen idente Quellen gefunden und deren Differenz berechnet werden. Ausreißer müssen an dieser Stelle eliminiert werden und eine Methodik, um großräumige systematische Effekte aus der Differenzenstreuung zu extrahieren, muss angewandt werden. Eine geeignete Methodik um himmelsfeste Referenzrahmen zu vergleichen ist die Zerlegung in Vector Spherical Harmonics (VSH). Hierbei wird das Vektorfeld der Differenzen bis zu einem gewissen Grad in orthogonale Basisfunktionen zerlegt. Je größer der Grad der Zerlegung desto genauer kann das Vektorfeld abgebildet werden. Da hier allerdings nur großräumige Effekte von Interesse sind, wurde die Zerlegung mit Grad 2 abgebrochen. Grad 1 kann weiter in eine globale Rotation und Deformation (auch Glide v genannt) unterteilt werden. Werden nun die großräumigen systematischen Effekte im VLBI Referenzrahmen mit Hilfe des Gaia Referenzrahmens untersucht, stellt sich heraus, dass einige Modelle und Analysestrategien die Quellenkoordinaten systematisch beeinflussen. Erstens wurde herausgefunden, dass die Korrektur der galaktischen Aberration den größten Teil der Deformationen von Grad 1 (Glide) zwischen dem VLBI und Gaia Referenzrahmen entfernt. Zweitens wurde entdeckt, dass der D3-Parameter, welcher nur von der Quellendeklination abhängt, von sehr vielen Modellen und Analysestrategien beeinflusst wird. Das deutet auf eine schlechte Bestimmung der Deklination der Quellen hin, was mit der schlechten Verteilung der VLBI Teleskope auf der südlichen Hemisphäre zusammenhängt. Drittens wurde herausgefunden, dass a priori angebrachte troposphärische Laufzeitverzögerungen, welche mit Raytracing berechnet wurden, das hochsignifikante a(e,2,0) reduzieren können. Zusammenfassend ist zu sagen, dass der VLBI und der Gaia Referenzrahmen eine gute Übereinstimmung aufweist, was zukünftige Studien zu Referenzpunkten ermöglichen wird.

Abstract (English)

Finding the exact positions of objects in the sky, also called astrometry, has a long tradition, which dates back thousands of years. For most of that time, the visible stars were used as reference points. However, nowadays observations are accurate enough to observe proper motions of these stars, which makes them inadequate reference points. A new type of extragalactic object, the quasar, revolutionized the field with its discovery in the 1960s. These quasars are billions of light years away, which means that they are very stable and hence the ideal reference point. They are observed with a technique called Very Long Baseline Interferometry (VLBI), which uses an array of radio telescopes to measure the accurate positions of these objects. Only a couple of decades after their discovery a catalog of quasars replaced the most accurate star catalog as recommended reference frame. For three decades the accuracy of this frame was out of reach for techniques operating in the optical part of the electromagnetic spectrum. This has changed with the Gaia satellite mission from the European Space Agency (ESA), which was launched in 2013 with the aim of mapping a billion stars with an unprecedented accuracy. Among the objects measured by Gaia are about half a million quasars with positional accuracies comparable to VLBI. For the first time in the history of VLBI a comparable celestial reference frame exists which can be used to compare positions. The aim of this thesis is to investigate the influence of different modeling and analysis strategies on the celestial reference frame estimated with VLBI. Systematic changes in the VLBI reference frame are assessed with the help of the Gaia reference frame. Before the influence of models and analysis strategies on the celestial reference frame can be assessed a suitable solution has to be compiled. In this case the Vienna VLBI and Satellite Software (VieVS) was used to derive a catalog of source positions in X/S band with more than 4500 sources. This solution is comparable in scope and accuracy with the official International Celestial Reference Frame 3 (ICRF3) solution. It has a noise floor of about 30 as and deformations below 15 as with respect to ICRF3. In order to compare two astrometric catalogs one has to find intersecting sources and calculate the difference of their coordinates. A robust approach of outlier determination has to be found and utilized. Then a suitable method to extract large-scale systematic effects from this difference scatter has to be applied. The state of the art technique used for comparing astrometric catalogs is the so-called Vector Spherical Harmonic (VSH) decomposition. It expands a vector field using orthogonal basis functions up to a certain degree using the difference vector field of the two catalogs. The degree of expansion depends on the level of investigated detail. Since large scale systematic effects are of interest in this thesis, the expansion was stopped after degree 2. Degree 1 can be further split into a global rotation and deformation (also called glide). Investigating large-scale systematics in the VLBI technique with the help of the Gaia reference frame revealed that certain choices made by the analyst are affecting source coordinates significantly. First, it was found that the correction of galactic aberration removes most of the glide between the VLBI and the Gaia reference frame. Second, the D3-parameter which is directly connected to the source declination was found to be affected by many models and estimation choices. This indicates that this parameter is rather unstable, which has to do with the weak VLBI observing network in the Southern Hemisphere. Third, it was found that using ray-tracing to calculate a priori tropospheric delays succeeds in reducing the most significant VSH parameter (the a(e,2,0) parameter of degree 2) between these reference frames. In conclusion one can say that the VLBI and the Gaia reference frame do agree on a level, which will facilitate future studies about the reference points.

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